基于物联网的温室环境因子CO2的探讨

宋成秀

摘要：目前，CO₂增施技术在我国几乎未得到普及，前人对温室内作物适宜CO₂浓度的研究单一且浓度单位使用不一，因此综述了温室内不同方位、不同时间、不同作物生长期CO₂浓度的差异。得出基于物联网的智慧温室cO₂感应器放置应均匀分布于棚室各个方位;若碳源不足，应该在中午、作物生长旺期及温度较高、光合作用强烈的时期之前及时补充;CO₂浓度低极值应设定在210mg/L浓度以上，高极值位于1765mg/L以上。

关键词：物联网;温室;CO₂

在可控气候环境即设施条件下进行园艺作物生产栽培的方式叫作设施园艺。我国设施园艺发展历史悠久，早在2000多年前，就已经出现采用透明覆盖物提供高于外界的温度生产时令蔬菜。截至2017年，我国设施园艺面积达370万hm，位居世界第一，约占世界设施园艺总面积的80%，主要分布在我国北方地区。我国北方地区习惯上称这种设施为节能日光温室、日光温室或暖棚，即使在冬季，依靠太阳也能满足作物生长所需的温度，一般温室不需加热。

日光温室内的温度、湿度、CO₂浓度等环境因子传统的控制方式为人工值守进行监测控制，随着劳动力成本的逐渐升高，以及人为控制环境因子的不精确性，智能化控制必将成为趋势。基于计算机技术、传感技术和互联网技术的快速发展，物联网技术不断成熟，必将逐渐应用于现代设施园艺作物生产中。以物联网技术为核心，以集传感器技术、计算机网络和移动网络技术支撑，设计温室智能控制系统，实现对温室内温度、湿度、CO₂浓度等环境因子以及设施装备的自动化控制。基于物联网的温室智能控制系统对温室内各项参数进行自动采集，自动控制温室的CO₂增补等温室环境控制系统，使温室内的环境因子满足作物生长所需，实现温室生产过程中的精确控制。

日光温室内CO₂亏缺会导致设施作物生长发育受阻，影响产量和品质的提高。早在30年前国内外已经开展对增施CO₂提高温室作物产量品质的研究，但未对温室内CO₂适宜的浓度范围进行综述，并且各研究文章对CO₂浓度单位使用不一，通過综述温室内不同方位、不同时间、不同作物生长期CO₂浓度的差异，并将CO₂浓度单位统一为百万分比浓度（mg/L），以期为基于物联网的智慧农业温室自动化调控系统中CO₂感应器、释放器的放置位置、工作参数提供理论支持。

1温室CO₂亏缺增补的效应

CO₂是作物光合作用的原料，温室CO₂浓度低于外界大气水平即为‘亏缺。作物生长在CO₂‘亏缺环境中，会严重降低作物产量。

CO₂亏缺增补后有如下作用，①光合作用提高：CO₂施肥提高作物光合作用的活性、增大叶片气孔内外的CO₂浓度差，同时也提升了叶绿体中CO₂与O₂的比例、RuBP羧化酶的活性增强等，从而提高了作物的净同化率闭。②增加产量：花芽分化量增加、雌花数量增加、单株结果量也有提升。③降低植株发病率：黄瓜每100株的发病株次降低了9株次，施用CQ肥后，株高、坐果率均有提高，灰霉病发病率下降，产量提高、并且上市提前。④促进叶绿体的发育：CO₂增施后黄瓜叶片栅栏组织、表皮及叶片厚度均增加，同时栅栏组织厚度增加比例大于叶片总厚度增加比例，栅栏组织的细胞变长、排列更加整齐紧密;叶片叶绿体、淀粉粒、基粒均体积变大，叶绿体、淀粉粒、基粒片层数目以及单位叶绿体含淀粉粒数上升。⑤提升产品品质：增施CO₂处理黄瓜的株高、茎粗，可溶性糖、Vc含量均显著高于不增施CO₂处理提高;也有研究表明，高温下，增施CO₂可以缓解高温对作物的危害。增施CO₂作为温室的配套应用技术，对于提高温室蔬菜生产效率有重要指导意义。

2温室不同方位CO₂的浓度

吴翠兰对温室作物不同生育期CO₂浓度变化进行监测，从监测结果可以看出，株顶上部、冠层、垄面、沟内之间CO₂浓度差别不明显，在植株垂直方向CO₂浓度变化总的趋势为沟内>垄面>株顶上部和冠层，平均CO₂浓度沟内为877mg/L、垄面861mg/L、株顶上部844mg/L、冠层为841mg/L，最大相差36mg/L。

魏珉研究了日光温室内CQ浓度的空间变化规律，结果表明，温室内CO₂空间分布特点不同时间段分布不同，一般在早晨和傍晚CO₂浓度由高到低分别是：前部、中部、后部，垂直方向是近地面层、作物冠层、顶层;中午一般是前部<中部<后部，近地面层>顶层>作物冠层。影响日光温室CO₂浓度变化的主要环境因素是光照度，通风可以稀释温室内高浓度CO₂，但是当温室内CO₂亏缺时，通风也无济于事。

基于物联网的智慧温室CO₂感应器放置应均匀分布于棚室的前部、中部、后部及近地面层、作物冠层、顶层。

3温室不同时间CO₂的浓度

3.1CO₂浓度日变化

C02浓度日变化曲线常呈“U”“W”型，即一天中作物开始光合作用之前浓度最高，之后出现1个或2个低谷。1个低谷一般是12.00～14：00，2个低谷一般是中午放风前和下午闭风后。1个低谷的情况通常是不放风或者放风时间较长、温室夜间CO₂积累水平较高，2个低谷多是放风时间短、光合速率高，短暂的通风仅短时间内补充了CO₂的亏缺。阴天温室内CO₂的日变化曲线与晴天明显不同，晴天白天的大部分时间温室内CQ浓度低于外界CO₂浓度，呈亏缺状态，而阴天温室内CO₂浓度高于晴天，白天大部分时间接近外界CO₂浓度。阴天和多云时，温室内CO₂浓度变化趋于平缓，有一个低谷或没有低谷。

吴翠兰测定日光温室茄子不同生育期傍晚（17：00）至次日早晨（6：00～9：00）棚内CO₂浓度，结果显示C02浓度随闭风时间的延长呈递减趋势上升，但上升速度不同，苗期至采收前期CO₂浓度增加量逐渐增高，采收前期至采收中期逐渐下降，这种变化趋势与作物生长旺盛程度有很大关系。日出后冠层CO₂浓度的变化呈递减趋势，不同生育期下降速度不同，其中采收前期下降速度最快;胡德奎测定温室番茄CO₂浓度在184～577mg/L之间，日平均值为383mg/L。8～9时C02浓度下降最大明显，平均52 mg/L/hEa;马成芝测定的温室内C02浓度日变化幅度较大，范围在235.1～1838.3mg/L，平均浓度为792.7 mg/L。按大气CO₂浓度300mg/L来看，马成芝测定温室内CO₂亏缺程度很低，基本能满足作物需求，吴翠兰和胡德奎测定结果均存在不同程度的亏缺，一般在日出6小时之后开始出现亏缺。

3.2 CO₂浓度季节变化

魏氓研究温室CO₂浓度季节变化，得出温室CO₂浓度变化规律是在冬春寒冷季节，由于外界温度低，日光温室通风少甚至全天候封闭，作物光合作用旺盛CO₂亏缺严重，夏秋季节亏缺程度低于冬春，李胜利研究结果为棚内CO₂浓度在3月达到峰值，在6月达到整个生育期的低谷响。而胡德奎探究高寒冷凉地区温室一年中CO₂浓度变化，结果显示6月亏缺时间最长，达到8小时，4～5月亏缺在7小时左右，7～9月在5小时左右，10月至翌年3月亏缺时间只有1小时左右。其中李胜利与胡德奎研究结果基本一致，与魏珉研究结果相反，矛盾点在于判断亏缺标准不一，魏氓依大气CO₂浓度作为亏缺与否的界限，因此在不通风时易发生亏缺;而其他两人依作物生长适宜浓度为标准，因此作物光合作用剧烈时易发生亏缺。

基于物联网的智慧温室CO₂释放器释放时间一般在接近中午，作物生长旺期及温度较高、光合作用强烈的时期，若碳源不足，应该在这些时期之前及时补充。

4温室不同作物生长期CO₂的浓度

作物生长从苗期至收获结束整个时期对CO₂需求不一，苗期生长量增长缓慢，因此对CO₂需求量也较低，收获后期生长量逐渐降低，CO₂需求量也逐渐降低。而作物生长的旺盛期，光合作用旺盛，CO₂需求量很大，即使自然通风也无法避免CO₂亏缺。不同物候期温室内一天中CO₂变化规律基本一致，但旺盛期白天CO₂浓度下降更快，低谷亏缺程度高，日平均值也低。作物苗期光合及呼吸作用弱、成株光合及呼吸作用強，土壤呼吸强弱也有变化，通风也对温室CO₂浓度有影响，因此温室内CO₂是否亏缺影响因素较多，而基于物联网的智慧温室CO₂感应器无需考虑物候期等影响因素，直接以CO₂浓度范围判断是否亏缺及时补增。

5温室适宜CO₂的浓度极值

董正武主张增施CO₂浓度至900mg/L;侯新村对温室CO₂浓度进行监测，结果表明温室内CO₂浓度范围处于200～800mg/L，表明油桃的CO₂吸收低点是200m～L左右，但无法确定饱和点，饱和点处于800mg/g以上。

魏氓研究温室黄瓜棚内CO₂浓度变化结果显示：上午棚内CO₂亏缺时，补施CO₂浓度达到780mg/L和1215mg/L，光合速率升高至2.10倍和2.75倍，因此说明温室黄瓜CQ饱和点高于1215 mg/L。左鹏研究高效节能日光温室中，CO₂气肥补施浓度控制在1130～1765mg/L的条件下，栽培的黄瓜苗壮、叶径大，抗病能力增强，产量高、提前上市、结果期长㈣，但并未对1765mg/L浓度以上CO₂进行试验。

外界CO₂浓度210～340mg/L，大气中CO₂浓度随季节和外界作物生长量的不同而略有变化，自然状态下温室内CO₂浓度低限与外界接近，此时因浓度过低作物无法吸收利用CO₂，因此基于物联网的智慧温室CQ浓度低极值应设定在210mg/L浓度以上，目前还无文献探究高极值，根据魏珉和左鹏的试验结果可以判断高极值位于1765mg/L以上。至于特定的作物CQ最佳浓度还需进一步研究。

6结论

温室CO₂亏缺增补可以提高光合作用、增加产量、降低植株发病率、促进叶绿体的发育、提升产品品质等，基于物联网的智慧温室CO₂感应器放置应均匀分布于棚室的前部、中部、后部及近地面层、作物冠层、顶层;CO₂释放器释放时间一般在接近中午，作物生长旺期及温度较高、光合作用强烈的时期，若碳源不足，应该在这些时期之前及时补充;CO₂感应器无需考虑物候期，直接以CO₂浓度范围判断是否亏缺及补增;CO₂浓度低极值应设定在210mg/L浓度以上，高极值位于1765mg/L以上，至于特定的作物CO₂最佳浓度还需进一步研究。